Strength and ductility of corroded strands within the framework of safety assessment of existing bridges

Existing bridges built in the last 50 years face challenges due to states far different than those envisaged when they were designed, due to increased loads, ageing of materials, and poor maintenance. For post-tensioned bridges, the need emerged for reliable engineering tools for the evaluation of their capacity in case of steel corrosion due to lack of mortar injection. This can lead to sudden brittle collapses, highlighting the need for proper maintenance and monitoring. This thesis proposes a peak strength model for corroded strands, introducing a “group coefficient” that aims at considering corrosion variability in the wires constituting the strands. The application of the introduced model in a deterministic approach leads to the proposal of strength curves for corroded strands, which represent useful engineering tools for estimating their maximum strength considering both geometry of the corrosion and steel material parameters. Together with the proposed ultimate displacement curves, constitutive laws of the steel material reduced by the effects of corrosion can be obtained. The effects of corroded strands on post-tensioned beams can be evaluated through the reduced bending moment-curvature diagram accounting for these reduced stress-strain relationships. The application of the introduced model in a probabilistic approach allows to estimate peak strength probability functions and consecutive design-oriented safety factors to consider corrosion effects in safety assessment verifications. Both approaches consider two procedures that are based on the knowledge level of the corrosion in the strands. On the sidelines of this main research line, this thesis also presents a study of a seismic upgrading intervention of a case-study bridge through HDRB isolators providing a simplified procedure for the identification of the correct device. The study also investigates the effects due to the variability of the shear modulus of the rubber material of the HDRB isolators on the structural response of the isolated bridge.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H